纳米材料概况

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1、纳米材料概况发表日期：2007-08-02 08:38 浏览人数：718 发表者：admin纳米科学技术是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的，他的基本涵义是在 纳米尺寸（10-910-7mm）范围内认识和改造自然，通过直接操作原子和分子创制 新的物质和器件。纳米科学技术是21世纪科技产业革命的重要内容之一，可以 与工业革命相比拟，是包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学的高度交叉 的综合性学科，它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础学科，同时还有以 纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术是一个融前沿科学与 高技术为一体的完全体系。纳米材料是纳米科技领域最富有活力，研究内涵

2、十分丰富的学科分支，纳米 材料科学是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应 动力学和表面、界面科学等多种学科交叉汇合而出现的新学科生长点。纳米材料 工程是在纳米材料研究的基础上通过纳米合成、纳米添加发展新型的纳米材料， 并通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围。纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：第一阶段（1990年以前）主要 是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄 膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。第二阶段（1994 年以前）研究热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能， 设计纳

3、米复合材料。第三阶段（1994至现在）重点在于纳米组装体系。人工组装合 成的纳米结构的材料体系越来越受到人们关注。纳米材料分类作为纳米材料，是将纳米尺度范围定义在1-100nm范围。广义地讲，在三 维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料都叫 纳米材料。按维数分，纳米材料的基本单元可分为三类：（1）零维，指在空间三 维方向均为纳米尺度的颗粒、原子团簇等；（2） 一维，指在空间有维处于纳米尺 度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。（3）二维，指在空间中有一维在纳米尺度， 如超薄膜、多层膜等。纳米材料大部分都是人工制备的，但自然界中早就存在纳 米微粒和纳米固体这样的物质。纳米微粒

4、的特性纳米材料之所以受到人们的重视，是由于它有许多不同于大尺寸材料的特 性，我们以纳米微粒为例来加以说明。（1）表面效应:随着颗粒尺寸的减小，比表面大大增加，当粒径为5nm时，表 面将占50%，为2nm时，表面的体积分数可增加到80%。表面是原子排列不规 则的区域，许多结合键失配，出现了大量的活性中心，表面台阶和粗糙度增加， 因此纳米微粒具有特别好的活性。金属的纳米粒子熔点下降，在空气中会燃烧； 无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应，如作为催化剂使 用，粒径30nm的竦粉可把有机化学加氢和脱氢反应速度提高15倍。（2）小尺寸效应:当纳米微粒的尺寸与光波波长、德布洛意波长、磁畴

5、尺寸相 当或更小时，就会导致材料的光、声、磁、电等物理性能呈现新的小尺寸效应， 如金属纳米材料的电阻随尺寸减小而增大，电阻温度系数下降甚至变为负值；原 是绝缘体的氧化物达到纳米级，电阻反而减小；10-25nm的铁磁金属微粒矫顽 力可比相同的宏观材料大1000倍，而一旦小于10nm矫顽力又变为零，成了顺磁材 料;半导体硅，当尺寸达到纳米级(6nm )时，在靠近可见光范围内，会有较强的 光致发光现象等等。这些都表明物质在这种尺度的凝聚态不同于一般的固体材 料，量变引起了质变。(3) 量子尺寸效应:当粒子尺寸下降到某一值时，电子的分布情况与块体材料 也不一样了。块体金属材料中电子在准连续能级上的分布

6、变成了纳米材料中离散 能级分布；对于半导体材料来说，原来的能隙宽度在变成纳米材料时会变宽， 这些都属于量子尺寸效应。由于这种效应，金属也可能变成绝缘体。众所周知， Ag是最好的导体，但当银微粒尺寸小于20nm时，Ag变成了绝缘体。纳米复合材料纳米复合材料大致包括三种类型：纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)， 纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)及复合纳米薄膜(0-2复合)。此外，有人把 纳米层状结构也归结为纳米材料，由不同材质构成的多层膜也称为纳米复合材 料。这一类材料在性能上比传统材料也有极大改善，已在有些方面获得了应用。(1) 复合涂层材料:市场上大力宣传的“纳米洗衣机”、“纳米冰箱”等

7、，实际 上是采用了纳米涂层材料，这种材料具有高强、高韧、高硬度的特点，在材料表 面防护和改性上有着广泛的应用前景。如MoSi2/SiC复合纳米涂层，经500, 1小时热处理，涂层硬度可达20.8Gpa，比碳钢提高了几十倍。(2) 超塑性陶瓷:用粒径30nm的被Y2O3稳定化的四方ZrO2，并加入20% Al2O3,制成的陶瓷材延伸率可达200%，具有超塑性。甚至有人做到了延伸率 800%。这是由于纳米材料烧结温度低，烧结过程中速度快和有良好的界面延展 性。(3) 高分子基纳米复合材料:将经高能球磨制成的纳米品FexCu100-x粉体与 环氧树脂混合制成了具有极高硬度的类金刚石刀片。日本松下电器

8、公司已研制成 功树脂基纳米氧化物复合材料，其静电屏蔽性能优于常规树脂基碳黑复合材料， 而且可以根据氧化物类型改变颜色，在电器外壳涂料方面有广阔的应用前景。利 用纳米TiO2粉体的紫外吸收特性可以制防晒膏和化妆品。(4) 磁性材料:由纳米四方Fe14Nd2B颗粒和1015nm的a -Fe粒子组成的复 合材料具有高的矫顽力和高的剩余磁化强度。高矫顽力来源于Fe14Nd2B相很强 的磁一晶各向异性和纳米粒子的单磁畴特性。(5) 光学材料:纯的A12O3和纯的Fe2O3纳米材料在可见光范围是不发光的， 但如果把纳米A12O3和纳米Fe2O3掺和到一起，获得的纳米粉体或块体在可见 光范围蓝绿光波段出现了

9、一个较宽的光致发光带，发光的原因是Fe3+离子在纳 米复合材料中所提供的大量低有序度界面所致。(6) 仿生材料:研究表明，动物的骨骼是由胶质的基体与纳米或亚微米的羟基 磷灰石组成的一种复合体。纳米或亚微米的羟基磷灰石起增强作用。科学家们已 按照这样的思路在实验室中制造出了人造骨。以上只列举了一些简单的例子，目 前纳米复合材料的研究仍方兴未艾。纳米结构纳米结构体系是当前纳米材料领域派生出来的含有丰富的科学内涵的一个 重要的分支学科。所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构 筑或营造一种新的体系，包括一维、二维、三维体系。根据纳米结构体系构筑过 程中的驱动力是靠外因还是靠内因来划分，

10、大致可分为二类：一是人工纳米结构 组装体系；二是纳米结构自组装体系和分子自组装体系。这种纳米结构仍具有纳 米微粒的特性，如表面效应，小尺寸效应、最子尺寸效应等；另外，由于纳米结 构组合又引起了新的效应，且这种结构体系很容易通过外场(电、磁、光)实现 对其性能的控制。近年来，纳米结构体系和新的量子效应器件的研究取得了很多新进展，如量 子磁盘的问世，使磁盘尺寸比原来的磁盘缩小了 104倍，磁存储密度却达到了 4 X1011 bit/in是目前光盘存储量的400倍。这项技术已进入中试阶段，预计2005 年可实用化。还有如单电子品体管，纳米阵列激光器，微型传感器，纳米磁开关 等，虽然有些仅是实验室的成

11、果，但却代表了纳米材料发展的一个重要趋势，是 目前纳米材料的发展前沿。人们将用自己制造的纳米微粒、纳米管、纳米棒组装 起来营造自然界尚不存在的物质体系，从而创造新的奇迹。另外，纳米结构的出 现，把人们对纳米材料呈现的基本物理效应的认识不断引向深入。纳米结构中出 现的新现象、新规律又有利于人们进一步建立新原理，这为构筑纳米体系的理论 框架奠定了物质基础。什么是纳米材料？畜牧人1e(Aw&2rAlAyAiAf8SAhAU.m g.AAT0纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺 寸在0.1至100纳米之间的物质组成的体

12、系的运动规律和相互作用以及可能的实 际应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料 学加工学等。畜牧人U q,o8o8_2H0_AE-畜牧人)lAm%rAiA纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它 是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于 其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点， 这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多 特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子 和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际

13、上由纳米粒子组 成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性 质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的 过渡有更深入的认识。畜牧人3Q-AAjsARAtAGAx A:tAd:q7g oAq8n0纳米材料的特点？畜牧人AqPA x9b l+w5IAX.NAk*P8ip0 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、 热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带 边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可 以通过控制品粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和 可

14、望得到新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由 硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以得到带隙和发光性质不同的材料。 也就是说，通过纳米技术得到了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积， 每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千平方米，这使得它们可作为高活性 的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前 景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻” 是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件， 减小器件的体积，使其更轻盈。第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与 微米级的半导体制造技

15、术，才实现了其小型化，并普及了计算机。无论从能量和 资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。“更高”是指纳米材料 可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性 能（如强度和韧性等），对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可 能表现出与金属等材料类似的塑性。6oAg L:J（2SAg0 畜牧人At3o）tAkAH#I纳米材料的应用前景畜牧人,IAkAR.K g3f d9vAAJtA$IAhAj0纳米材料的应用前景是十分广阔的，如：纳米电子器件，医学和健康，航天、航空和空间探索，环境、资源和能量，生物技术等。我们知道基 因DNA具有双螺旋结构，这种双螺

16、旋结构的直径约为几十纳米。用合成的品粒 尺寸仅为几纳米的发光半导体品粒，选择性的吸附或作用在不同的碱基对上，可 以“照亮” DNA的结构，有点像黑暗中挂满了灯笼的宝塔，借助与发光的“灯 笼”，我们不仅可以识别灯塔的外型，还可识别灯塔的结构。简而言之，这些纳 米品粒，在DNA分子上贴上了标签。目前，我们应当避免纳米的庸俗化。尽 管有科学工作者一直在研究纳米材料的应用问题，但很多技术仍难以直接造福于 人类。2001年以来，国内也有一些纳米企业和纳米产品，如“纳米冰箱”，“纳 米洗衣机”。这些产品中用到了一些“纳米粉体”，但冰箱和洗衣机的核心作用任 何传统产品相同，“纳米粉体”赋于了它们一些新的功能

17、，但并不是这类产品的 核心技术。因此，这类产品并不能称为真正的“纳米产品”，是商家的销售手段 和新卖点。现阶段纳米材料的应用主要集中在纳米粉体方面，属于纳米材料的起 步阶段，应该指出这不过是纳米材料应用的初级阶段，可以说这并不是纳米材料 的核心，更不能将“纳米粉体的应用”等同与纳米材料。畜牧人AlAfz QAk6n）o- c nARAeAg0y0A.$6PAYACAyAN0 下面我们选用几副插图来说明纳米材料。/fAmA-X1AIAB0AAA?3qAp uAJAu0 图一：二氧化钛纳米管。多种层状材料可形成管状材料， 最为人们所熟悉的是碳纳米管。图一为二氧化钛纳米管的透射电镜照片，这种管 是开

18、口、中空管，比表面积能达到400m2/g，可能在吸附剂、光催化剂等方面有 应用前景。4_05w-m-aAM0AmA l A-oAo0 图二：品内型纳米复相陶瓷，颜色较浅的大品粒内部有一 些深色的颗粒，在陶瓷收到外力破坏时，这些品内的深色颗粒像一颗颗钉子，抑 制裂纹扩散，起到对陶瓷材料的增强和增韧作用。+_Ae-XATAf3H%TA0aAp AAqAP$T6KAC*m0 图三：二氧化钛纳米颗粒的透射电镜照片。可以看 出二氧化钛仅为7纳米左右。人们不仅要问：如此小的纳米颗粒肉眼能否看到？ 商家提供的“纳米粉体”能看得到吗？如此小的品粒用肉眼是看不到的，可以借 助于电子显微镜来看。由于这些品粒聚集在一起，我们可以看到聚集后的粉体， 除了能感觉到“纳米粉体”更膨松外，不借助科学的表征方法，我们难以区别它 们。A3Q）X#i W Z0 畜牧人 6、JArAK0u+S#IAVk在材料科学家和其他科学家经过不懈努力后，取得了重大突破，在一些先进 国家相继建立了受控聚变实验装置，进行科学实验。更令人兴奋的是，受控核聚 变经过近半个世纪的努力，它的科学可行性已由现有的实验结果外推确认，图2 为其实验装置Tokamak示意图。而最具说服力的实验是1991年11月JET和1993 年12月TFTR的D-T实验，证明受控核聚变已不是可望而不可及的幻想，而是 经过努力可望在本世纪中叶付诸应用的有效能源。